新型噴沖式挖溝機總體設計與結構安全性評估

王喆，馬洪新，李翔，王艷濤，李果，朱恒康，趙敏

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津600583;2.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240)

隨著我國對能源需求與日俱增，海洋石油資源的開發利用，海底管道挖溝技術也因工作需求發生了較大變化［1-4］。挖溝是海底管道保護和滿足管道穩性要求的主要手段，近年來因第三方破壞而造成的海底管道事故頻發，如番禺、渤西登陸管線破損和東方1-1管線爆炸等。隨著渤海海域港口建設的發展，龍棲灣航道、葫蘆島航道、錦州航道和黃驊港航道均與管線交叉，工程建設者對海底管道挖溝深度和挖溝質量都提出了更高、更苛刻的要求，以協調地方政府港口建設和海底管道安全運營的沖突。地方政府對部分管段埋深要求至4～5 m，目前的挖溝裝備能力是無法達到的，如果動用挖泥船預先開挖，則工程費用太高。

針對上述海底管道中開挖問題，各設計單位設計了水下作業面開挖處理設備，以解決開挖效率低、易回淤的難題，達到設計開挖深度。其中上海交通大學研制了系列化海底管線噴沖式挖溝機，最新的一代是中石油管道局“神龍號”挖溝機和海洋石油工程股份有限公司高壓噴沖挖溝機。

但兩臺挖溝機都同時存在兩個問題:1)尺寸大，難于運輸。挖溝機陸上運輸受限，必需進行拆解分段運輸，然后再在碼頭或船上現場集成，效率低，且反復拆裝對于挖溝機的維護不利;2)重量大，易對管線造成傷害。挖溝機本體結構重量過大，成本增加，設備起吊受限，水下重量也相應增加，在作業過程中，挖溝機慣性大，拖曳不慎易對管線造成傷害。

針對這些問題開展新一代挖溝機的研制，闡述了總體設計方案，同時基于CCS潛水器規范［5］和有限元方法，對挖溝機的結構安全性進行了評估，并提出了結構設計加強方案。最后給出該型挖溝機在渤海灣錦州251工程和墾利海上石油管道挖溝工程的海試結果。

1 挖溝機總體設計

1.1 設計參數

基于減輕挖溝機結構重量和尺寸的目的，參照海洋工程設計規范［5-7］及一些工程實踐［8-9］設計，給出了新型海底管線噴沖式挖溝機總體設計的主要參數，具體如表1。

表1 新型挖溝機的主要設計參數Table 1 Main design parameters of the new type of trencher

1.2 系統組成

新型海底管線噴沖式挖溝機作業系統包括三大部分:水面支持系統、挖溝機本體和聯系水面水下的組合臍帶，各子系統組成如圖1所示。

水面支持系統包括水面動力站、水面監控站、水面液壓站、臍帶絞車等子系統。開溝機本體工作于水下，采用拖曳方式循線航行，采用高壓噴沖結合抽吸的方式進行水下開溝作業。

圖1 挖溝機作業系統的組成圖Fig.1 Diagram of trencher system

1.3 水下本體

新型挖溝機采用拖曳方式循線航行，利用高壓噴沖結合抽吸的方式進行水下挖溝作業。水下本體主要由門型框架、上層浮體、噴沖泵、抽吸泵、噴沖臂、射流抽吸泵、抽吸臂、對中機構、耐壓電控艙和動力接線艙等部分組成，如圖2所示。

圖2 新型挖溝機本體結構示意圖Fig.2 Main structure of the new type of trencher

門型框架是挖溝機的主要承力部分，也是安裝所有水下設備的載體。在“神龍號”和高壓噴沖挖溝機的總體設計過程中，均采用了臥式噴沖泵方案，導致系統尺度偏大。在新型挖溝機的總體設計上，采用了立式噴沖泵，使得本體結構尺寸得到有效減少，結構傳力路徑得到簡化，故結構厚度也相應減小。不同于“神龍號”挖溝機和高壓噴沖挖溝機，新型海底管線噴沖式挖溝機的管匯為不完全獨立結構，其部分結構與門型框架合理的整合在一起，浮力材料也集中分布在門型框架上層中央，因此該新型挖溝機結構更加緊湊、重量更輕和尺寸更小。

此外，噴沖系統的設計在現有挖溝機的基礎上，結合CFD方法［10］進行了優化，噴沖效率得到提高，噴沖臂和抽吸臂前進過程所受到的設計載荷得到下降，因此噴沖系統的設計重量也得到了減輕。

由于新型挖溝機的整體重量得到優化減輕，而其海上工作的風險性沒有改變，必須對其結構安全性，尤其是中央門型框架進行全面的評估，才能滿足海上作業安全的要求。

2 結構安全性評估

挖溝機屬于水下重載作業裝備，目前尚未有專門規范進行評估。本文采用CCS潛水器規范［5］和有限元技術，對新型挖溝機承力結構——中央門型框架進行結構安全性評估，并針對結構設計過程中存在的缺陷提出加強方案。

2.1 結構有限元模型

該挖溝機結構復雜，若對所有結構都建立有限元模型，工作量、計算量較大，故采用有限元法對挖溝機結構強度進行分析時，對少數關鍵結構建立局部模型，對各局部模型分別進行強度校核和加強。各結構之間的連接，采用質量模型、邊界約束及施加作用力等方法進行簡化。在對主框架結構分析時，各設備采用質量模型進行模擬［11］;關鍵設備(如對中機構、噴沖臂等)與主框架連接的部位，可作為邊界約束處理。

挖溝機的整體框架模型全部使用殼單元，單元大小50 mm×50 mm，局部地方需要細化;對中機構、抽吸機構、泵和浮力材料等均采用質量點單元來模擬，整體有限元模型如圖3所示。

圖3 整體有限元模型Fig.3 Finite element model of full structure

多點約束法(MPC)用于表征一些特定的物理現象，結合粘結接觸技術使用可以定義實體－實體連接、殼－殼連接等多種單元連接和幾何約束［12］。MPC包括剛性單元與柔性單元，剛性單元的局部剛度無限大，柔性單元的局部剛度為零，不會對系統剛度產生影響［13］。

各設備結構的復雜性和其重心位置對主框架結構有較大影響，且與主框架之間多采用剛性連接、鉸接、滑動等鏈接方式，在對主框架結構進行分析時，將各設備結構用質量點處理，采用柔性單元RBE3建立MPC將這些質量點與主框架相應部位進行連接，以此模擬各設備結構。

2.2 工況和載荷邊界條件

挖溝機作業過程包括船舶就位、挖溝機就位、正常挖溝作業、挖溝記錄及監控以及挖溝機回收［14］。從停放在甲板到起吊下水的典型工作過程中，選取3種典型工況，分析出現最大載荷的可能工況。

甲板停放工況主要考察挖溝機在吊放過程中與甲板接觸瞬間所產生的沖擊;空中起吊工況主要考察起吊鋼絲固定在挖溝機頂端吊耳上起吊的作業情形;水下極限工作工況主要考察整個挖溝機全部浸入水中，考慮挖溝機受到的摩擦力和水流來力。

1)甲板停放工況

挖溝機在甲板停放工況除受到自身重力外，還受到與甲板接觸瞬間產生的沖擊載荷。由達朗貝爾原理可知，作用于系統的真實力和達朗貝爾慣性力相互平衡［15］。根據結構所受沖擊大小以及挖溝機結構自身重量推算出在甲板停放工況下整個結構所承受最大沖擊載荷，并換算成整體模型的整體加速度。挖溝機在甲板停放工況考慮將其與甲板接觸部位進行邊界約束。

2)空中起吊工況

“潛水器規范”［5］中給出船舶上的吊放系統在處于吊放狀態時，垂直于甲板的加速度為1個重力加速度。整體模型給予2個重力加速度(向下)的慣性力。因此將挖溝機上各個機械設備的質量乘以2個重力加速度以集中力形式加載在相應集中質量處。挖溝機在空中起吊工況考慮對吊耳的位移自由度進行邊界約束。

3)水下極限工作狀況

水下極限工況時，整個挖溝機全部浸入水中，挖溝機將受到浮力的影響，重力加速度可設為0.5個重力加速度。另外，此工況還需考慮在滑靴底部受到的摩擦力，以及橫向的水流力。

水下極限工況時，需要考慮噴沖臂破土、抽吸臂與泥漿、以及滑靴與土的相互作用力，這些載荷較大，對結構的安全性影響至關重要。

2.3 結構安全性評估和加強方案

本挖溝機主體結構采用了Q345鋼，其材料特性為:楊氏彈性模量 E=2.06×105MPa;泊松比 v=0.3;質量密度 ρ=7.85 nt/mm3;屈服強度取值為σs=345 MPa。取安全系數為2.0，即許用應力取值σ=170 MPa。

2.3.1 甲板停放工況

甲板停放工況時，整體模型的應力較小，結構在停放工況下能夠保證足夠的強度，最大單元相當應力為69.9 MPa，出現在滑靴支架于主框架相連接橫板處，應力云圖如圖4、5所示。

圖4 停放工況整體模型應力云圖Fig.4 Stress contour of full model when laid on deck

圖5 超過50 MPa的應力云圖Fig.5 Stress contour above 50 MPa

2.3.2 空中起吊工況

空中起吊工況時，模型整體框架的應力值大部分小于170 MPa。應力較大處主要位于滑靴于門型框架連接處以及支撐泵的4個垂向橫板處，最大應力值為222 MPa，高應力區均為應力集中。應力云圖如圖6、7所示。

圖6 起吊工況整體模型應力云圖Fig.6 Stress contour of full model when hung up

圖7 超過170 MPa的應力云圖Fig.7 Stress contour above 170 MPa

2.3.3 水下極限工作狀況

水下極限工況情況下，模型的最大變形出現在前段框架底部處，主要是因為后端被約束住前端受到較大的拉力引起，最大位移為60.1 mm，對應的變形圖如8所示。

水下極限工作工況時，整體模型的應力大部分小于170 MPa，最大應力發生在前端底部抽吸裝置處，最大應力值達到2 930 MPa;另外滑靴與框架連接處以及吊耳和底部抽吸裝置的框架處的單元應力值也較大，需進行加強。對應的應力云圖如圖9所示，整體模型應力超過170 MPa的應力云圖如圖10所示。

圖8 水下極限工作狀況整體模型的變形圖Fig.8 Deformation image of full model in extreme working condition

圖9 整體模型應力云圖Fig.9 Stress contour of full model

圖10 超過170 MPa的應力云圖Fig.10 Stress contour above 170 MPa

2.3.4 結構設計加強方案

根據上述結構有限元計算結果，考慮對抽吸裝置的框架和浮體結構作用的托梁進行加強，延伸抽吸裝置的框架并在前后框架與管道連接處添加兩道槽鋼;同時考慮將浮體結構的托梁由角鋼改成槽鋼并在槽內添加分段肘板。加強方案如圖11所示。

針對加強方案重新進行了強度計算和評估。結構加強后整體模型對應的應力云圖如圖12所示，整體模型應力超過170 MPa的應力云圖如圖13示，應力集中云圖見圖14和圖15。由圖中計算結果可知，采用加強方案以后，整體應力水平得到顯著降低。整體框架能夠滿足強度設計要求，僅在滑靴與框架連接處、框架底部前端抽吸裝置處出現了部分應力集中現象。

圖11 加強方案前后對比圖Fig.11 Comparison of before and after strengthening

圖12 結構加強后整體模型應力云圖Fig.12 Stress contour of full model after strengthening

所述的新型挖溝機分別于2013年7月和8月完成了“錦州251工程”海試和“墾利工程”管道鋪設施工作業。錦州251工程的海試結果表明:挖溝機本體功能正常，實際挖溝深度達2.5 m(聲吶測得的挖溝溝形圖見圖16)，挖溝速度滿足要求。

圖13 結構加強后超過170 MPa的應力云圖Fig.13 Stress contour above 170 MPa after strengthening

圖14 應力集中云圖－滑靴與框架連接處Fig.14 Stress concentration contour－the joint between slippers

圖15 應力集中云圖－框架底部抽吸裝置處Fig.15 Stress concentration contour－the bottom of jetting leg

圖16 聲吶測得的挖溝溝形圖(墾利工程)Fig.16 Trenching shape of Kenli project by sonar

墾利工程是針對墾利海域的海洋石油平臺之間進行海底管道鋪設，全長30余公里，所述挖溝機歷時39天完成了挖溝作業工程。在墾利工程中，對于較硬土質，平均挖溝速度可達105 m/h;行船為勻速絞錨時，挖溝機前進速度均勻，挖溝工作狀態良好，噴沖系統破土效果好;抽吸系統功能正常，抽吸干凈，無回淤。在作業過程中，出現了在六級海況下從水下回收挖溝機的工作狀況(圖17)，和因為操船失誤導致牽引力達到了額定狀態2倍的工作狀況，在上述極限工況下，挖溝機結構正常工作、未出現異常，表明針對挖溝機強度進行的有限元評估是安全、有效的，對今后的挖溝機結構設計具有重要的工程意義。

圖17 水下回收挖溝機實際工作狀況(墾利工程)Fig.17 Recovery of underwater trencher in Kenli project

4 結束語

針對傳統噴沖式挖溝機尺寸和重量過大的問題，提出了一種新型海底管線噴沖式挖溝機的總體設計方案。基于CCS潛水器設計規范和有限元技術，針對甲板停放、空中起吊以及水下極限3種工況進行了結構強度評估，并提出結構設計的加強方案，為該類型挖溝機的結構設計和強度評估提供了依據。該挖溝機在渤海灣錦州251工程完成了海試，并于墾利海上石油管道挖溝工程完成了30 km的管道鋪設，結果表明:挖溝機作業時功能正常，挖溝深度和速度滿足設計要求，結構強度滿足設計評估標準。因此本文提出的新型海底噴沖式挖溝機總體設計是成功的，對于今后此類挖溝機的廣泛應用和發展具有重要工程參考意義。

［1］王金英，趙冬巖.渤海海底管道工程的現狀和問題［J］.中國海上油氣，1992，4(1):1-5.WANG Jinying，ZHAO Dongyan.Status quo and problems of submarine pipeline engineering in Bohai Bay［J］.China Offshore Oil＆ Gas，1992，4(1):1-5.

［2］張國光.世界著名水下開溝機械設計施工公司與機型介紹［J］.海洋技術，1996，15(2):55-64.ZHANG Guoguang.Developing company and type of famous submarine trenching machines［J］.Ocean Technology，1996，15(2):55-64.

［3］李文濤，葛彤.挖溝機相關技術進展［J］.船海工程，2010，39(4):146-149.LI Wentao，GE Tong.A review of the development of popular technology for pipeline and cable burial［J］.Ship ＆ O-cean Engineering，2010，39(4):146-149.

［4］江勇，陳娟，任亞龍，等.海底管道挖溝機射流泵參數確定方法［J］.油氣儲運，2013，32(5):504-507.JIANG Yong，CHEN Juan，REN Yalong，et al.The determination method for jet pump parameters of submarine pipeline trenchers［J］.Oil＆ Gas Storage and Transportation，2013，32(5):504-507.

［5］中國船級社.潛水系統和潛水器入級與建造規范［S］.1996.

［6］American Petroleum Institute.API RP 2A-WSD-2004，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design［S］.Washington DC:American Petroleum Institute，2004.

［7］Det Norske Veritas.DNV-OSS-102，rules for classification of floating production，storage and loading units［S］.Det Norske Veritas，2012.

［8］田煒，崔占明，李月海，等.點式挖溝機結構強度校核計算［J］.石油和化工設備，2013，5:23-25.TIAN Wei，CUI Zhanming，LI Yuehai，et al.Strength checking calculation for dot trencher［J］.Petro ＆ Chemical Equipment，2013，5:23-25.

［9］裴紅英，王道炎.一種具有雙重功能的海底挖溝機［J］.中國造船，2007，48:640-644.PEI Hongying，WANG Daoyan.A kind of particular dual function subsea trenching machine［J］.Shipbuilding of China，2007，48:640-644.

［10］王喆，袁慶晴，馬洪新，等.射流式挖溝機溝內流場數值計算與分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2015，36(3):292-296.WANG Zhe，YUAN Qingqing，MA Hongxin，et al.The numerical calculation and analysis of the flow field caused by a jetting trencher［J］.Journal of Harbin Engineering U-niversity，2015，36(3):292-296.

［11］王從晶，夏利娟.全船有限元結構分析的若干關鍵技術［J］.上海交通大學學報，2010，44(6):768-773.WANG Congjing，XIA Lijuan.Several critical technologies of the whole-ship structural analysis through FEM［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2010，44(6):768-773.

［12］張會杰，祝兵，高飛.Ansys多點約束技術的應用［J］.甘肅科技，2007，23(2):169-170.ZHANG Huijie，ZHU Bing，GAO Fei.Application of multipoint restriction technology in Ansys［J］.Gansu Science and Technology，2007，23(2):169-170.

［13］杜慶喜，張少雄.船體結構強度直接計算方法研究［D］.武漢:武漢理工大學，2007:74-75.DU Qingxi，ZHANG Shaoxiong.Research on the methods of direct strength analysis for the ship structures［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2007:74-75.

［14］梁建興，杜少澤，張政.海底管線挖溝技術探討［J］.中國集體經濟，2012(12):62-63.LIANG Jianxing，DU Shaoze，ZHANG Zheng.Discussion of subsea pipeline trenching technology［J］.China Collective Economy，2012(12):62-63.

［15］劉延柱，楊海興，朱本華.理論力學［M］.2 版.北京:高等教育出版社，2001:271-273.